“塑料飲料瓶”的實驗方案設(shè)計案例分析

董亞男

飲料瓶是盛裝液體的一種容器，上端呈圓錐漏斗型，其余部分呈圓柱形，用塑料瓶蓋密封，能夠承受一定的壓強(qiáng)，質(zhì)地柔軟，透明或者半透明，遇熱變形，容易裁剪，相同的飲料瓶，其物理屬性也相同，如絕緣性好，導(dǎo)電性差等。

方案一：充當(dāng)?shù)攘恐匚?/h2>

相同規(guī)格的飲料瓶，其物理特性是相同的，滿水后的重量也相同。利用飲料瓶“等重量”特性的實驗方案給四根琴弦相同的拉力。為了使學(xué)生能通過實驗了解“音調(diào)”的決定因素，我們將四根琴弦固定在紙盒的頂端，另一端和飲料瓶的瓶蓋固定，并將四個飲料瓶都裝滿水，這時四根琴弦所受拉力相同，如圖1所示；將兩只鉛筆當(dāng)“琴碼”，分別支在琴的上、下端，再將紙盒平放在桌子旁邊，分別波動每根琴弦，發(fā)現(xiàn)四根琴弦發(fā)出的聲音是不同的，最粗的琴弦音調(diào)最低，最細(xì)的琴弦音調(diào)最高，這充分說明了最粗的琴弦振動的頻率最小，音調(diào)最低；最細(xì)的琴弦振動頻率最大，音調(diào)最高。

“琴碼”的位置不變，將另一個裝滿水的飲料瓶加掛在某一根琴弦上，這樣這根琴弦所受的拉力就會增加一倍；撥動此琴弦與加掛飲料瓶前的聲音進(jìn)行對比，如圖2所示，看到琴弦繃得越松，音調(diào)越低；琴弦繃得越緊，音調(diào)越高。得出這樣的結(jié)論：琴弦繃得越松，振動頻率越小，音調(diào)越低；琴弦繃得越緊，振動頻率越大，音調(diào)越高。

圖1

圖2

方案二：空氣振動發(fā)聲

相同規(guī)格的飲料瓶，其物理特性也是相同的。如果裝入不同量的水，剩下的空氣柱高度就會出現(xiàn)差別。我們找來七個規(guī)格相同的礦泉水瓶，分別往瓶里裝入不同量的水，且水量依次增多，并用嘴唇斜對著瓶口輕輕吹氣，瓶子會發(fā)出不同音調(diào)的聲音。若認(rèn)真調(diào)節(jié)水量，使七個瓶子分別吹出“Do，Re，Mi，F(xiàn)a，So，La，Si”，這樣就能吹奏音樂了，如圖3所示。現(xiàn)象說明：吹瓶口時會使得瓶中的空氣柱發(fā)生振動，由于七個飲料瓶中的空氣柱高度不同，因此發(fā)出聲音的音調(diào)也會有

圖3

圖4

圖5

圖6

方案三：浮沉子實驗

飲料瓶在擰好瓶蓋后密閉性很好，利用這個特征能夠制作一個“浮沉子”的實驗裝置。具體操作如下：找一個小藥瓶和一個飲料瓶，將飲料瓶裝入水，接近滿瓶，小藥瓶裝入少量水，并且頭朝下放到飲料瓶的水中，調(diào)節(jié)飲料瓶的水量，讓它恰好能夠漂浮在水面上，將飲料瓶的蓋擰緊后，浮沉子就制成了，如圖4（a）所示。實驗時用手?jǐn)D壓飲料瓶，小藥瓶就下沉，松手，小藥瓶就上浮，如圖4（b）所示。此實驗說明物體的“浮沉條件”，當(dāng)擠壓飲料瓶時，液體壓強(qiáng)會增加，此時進(jìn)入小藥瓶中的水量增大，小藥瓶內(nèi)空氣柱變小，重力大于浮力，所以下沉；相反，當(dāng)手松開時，液體壓強(qiáng)減小，此時進(jìn)入小藥瓶的水量減小，小藥瓶內(nèi)空氣柱開始變大，所受重力小于浮力，因此會上浮。

方案四：自制馬德保半球

取2只大號飲料瓶，4號橡皮塞2只，三通玻璃管1根，鐵絲一段，膠手指套1只(醫(yī)藥門市有售)，瓶蓋一只，洗耳球一只，1號橡皮塞兩只，長約10cm的小玻璃管1段，內(nèi)徑1.6cm，長6cm的透明塑料硬管1段（可以用裝藥片的廢舊桶截取）。

如圖5所示，兩個半球是用飲料瓶截取，其中一個從內(nèi)徑最寬處的凸起部分截取，另一個則從凸起部分往下約1cm處截取。上半瓶的瓶塞是用一個4號橡皮塞在中央打孔，下半瓶的瓶塞用原瓶蓋，瓶頸上用鐵絲線系上，作為重物掛鉤。這樣，一個馬德堡半球基本完成。

為了配合實驗，還需要一個手捏抽氣機(jī)。抽氣機(jī)由進(jìn)氣門、氣室和排氣門三部分組成，如圖6所示。進(jìn)氣門的制作是用一個1號橡皮塞從小的一端橫切至3/4處的一個薄片做閥門，再扳開薄片由小的一端向大的一端豎直打孔。再將抽氣玻璃管從橡皮塞大的一端插入2/3處，再把小的一端塞入透明塑料硬管的下方固定，在塑料硬管的上方固定一個單孔橡皮塞。排氣門的制作是用一個4號橡皮塞從大的一端豎直打孔至2/3處，再從側(cè)邊鉆通，最后將膠手指套封閉的一端截下套在橡皮塞上即可（原理與自行車胎的氣門相同）。氣室的制作是將洗耳球的氣孔截去約3cm的一段后，再用燒紅的鐵絲把氣孔加大。連接進(jìn)氣門、排氣門和氣室的是一個

三通玻璃管。

演示時，先把上半瓶固定在支架上，再把抽氣機(jī)的抽氣玻璃管插進(jìn)上半瓶的單孔橡皮塞里，最后把下半瓶的原瓶蓋旋緊后接合上半瓶。此時，用手捏一下氣室，此時進(jìn)氣室將自動關(guān)閉，氣室內(nèi)的空氣便推開排氣門排出；當(dāng)松開手后，氣室恢復(fù)原狀，排氣門在大氣壓的作用下將自動關(guān)閉，而兩半球內(nèi)的空氣便推開進(jìn)氣門進(jìn)入氣室內(nèi)，在大氣壓的作用下，兩半瓶被壓緊。再捏2-3次氣室，當(dāng)氣室不能恢復(fù)原狀時，表明兩個瓶內(nèi)壓強(qiáng)已經(jīng)小了很多，便可在下半瓶的掛鉤上掛上40-50N的重物。

該馬德堡半球的特點是，兩個半球的接口處為插入相接，密封性好，并且原理直觀，便于從里到外進(jìn)行觀察，沒有神秘感。